デジタルツイン導入成功事例集

下水道システム管理におけるデジタルツイン導入：インフラ老朽化対策と運用効率化の成功事例

Tags: デジタルツイン, 下水道システム, インフラ管理, 老朽化対策, 運用最適化

導入

今日の社会において、都市機能の中核を担う下水道システムは、人々の安全で衛生的な暮らしを支える基盤です。しかし、多くの地域で整備から数十年が経過し、管路や処理施設といったインフラの老朽化が深刻な課題となっています。本記事では、このような下水道システム管理における課題に対し、デジタルツイン技術を導入することで、インフラの維持管理高度化と運用効率化を同時に実現した先進的な事例を紹介します。この事例は、他の類似インフラ管理や公共サービスの分野においても、デジタルツイン活用の可能性を示す示唆に富むものです。

導入前の課題

事例の対象となった自治体では、以下のような複数の課題を抱えていました。

  1. インフラ老朽化の進行と維持管理コストの増大: 多くの管路や施設が法定耐用年数に近づいており、破損や機能低下のリスクが増加していました。これに伴い、突発的な修繕対応が増え、維持管理にかかるコストも増加の一途をたどっていました。
  2. アセット情報の分散と不整合: 管路台帳、点検記録、修繕履歴、設計図などのアセット情報が紙媒体や異なるシステムに分散しており、全体像の把握が困難でした。情報間の不整合も多く、効率的な維持管理計画の策定を妨げていました。
  3. 維持管理計画の非効率性: 経験や過去のデータに基づく計画策定にとどまり、リスクベースでの優先順位付けや、将来的な劣化予測に基づいた計画的な修繕・更新が十分に実施できていませんでした。結果として、コスト効率が悪く、予期せぬ事故につながるリスクがありました。
  4. リアルタイムな状況把握の困難性: 豪雨時や設備トラブル発生時などに、システム全体の流量や水位、ポンプ稼働状況といったリアルタイムな状況を統合的に把握する手段がなく、迅速かつ最適な対応が困難でした。特に、内水氾濫リスクの高い地域では、効果的な対策が求められていました。
  5. 限られた人的リソース: 職員の高齢化やノウハウの継承問題に加え、現場での点検・調査には多大な労力と時間がかかり、限られた人員で広範囲のシステムを管理することに限界を感じていました。

これらの課題は、下水道サービスの安定供給、住民の安全、そして財政効率性に大きな影響を与えていました。

デジタルツインソリューションの概要

これらの課題を解決するため、自治体は下水道システムのデジタルツイン構築プロジェクトに着手しました。導入されたデジタルツインソリューションは、以下の要素から構成されていました。

このソリューションは、単なる情報のデジタル化にとどまらず、現実世界の下水道システムの状態変化をリアルタイムまたは高頻度で反映し、将来予測や影響分析を可能にする「生きた」デジタルツインとして設計されました。特に、膨大かつ多様な既存データの統合と、複雑な流体力学・構造力学に基づいた高精度シミュレーション機能が、このソリューションの核となりました。

導入プロセスと実施内容

デジタルツイン導入プロジェクトは、段階的なアプローチで進められました。

  1. 現状調査とデータ収集・整備: まず、既存のアセット情報（管路台帳、図面、点検記録など）の徹底的な調査と収集を実施しました。紙媒体の情報をデジタル化し、異なるシステム間のデータ形式を標準化する作業には、多くの時間と労力がかかりました。この段階で、データの不整合を解消し、デジタルツインの基盤となるデータの精度を確保することが最も重要なタスクとなりました。
  2. モデル構築と基盤システム開発: 収集・整備したデータを基に、下水道システムの物理モデル（3D/CIMモデル）と論理モデル（システム間の関係性など）を構築しました。並行して、データを統合・管理し、シミュレーションを実行するためのデジタルツイン基盤システムを開発しました。この際、特定のパイロットエリアを選定し、小規模でのモデル構築と機能検証を行いました。
  3. センサーネットワークの拡充とデータ連携: 主要なポンプ場、処理場、およびリスクの高い管路箇所に新たなセンサー（水位計、流量計、水質計、振動計など）を設置・増設しました。これらのセンサーからリアルタイムデータを収集し、デジタルツインプラットフォームへ連携する仕組みを構築しました。
  4. シミュレーション機能の実装とキャリブレーション: 物理シミュレーションエンジンを導入し、過去のデータや実測値を用いてモデルの精度検証（キャリブレーション）を繰り返し行いました。特に、降雨シミュレーションや劣化予測シミュレーションの精度向上に注力しました。
  5. 運用体制の構築と職員研修: 構築したデジタルツインシステムを日常業務で活用するための運用体制を整備しました。職員向けにシステムの操作方法、データ分析、シミュレーション結果の解釈に関する研修を実施し、デジタルツインを活用できる人材育成にも取り組みました。初期段階では、システム操作の習熟や、シミュレーション結果と現実の乖離に対する疑問などが課題となりましたが、継続的なサポートと現場からのフィードバックをシステム改善に反映することで克服を図りました。

導入による成果

デジタルツインの導入により、自治体は顕著な成果を達成しました。

これらの成果は、下水道システムの安定的な運用、住民の安全確保、そして財政効率性の向上に大きく貢献しました。

成功要因とポイント

このデジタルツイン導入事例が成功に至った背景には、いくつかの重要な要因があります。

  1. 明確な目的設定と経営層のコミットメント: 老朽化対策と運用効率化という具体的な課題解決を目的として明確に設定し、自治体の経営層がプロジェクトの重要性を認識し、強力に推進したことが成功の基盤となりました。
  2. 関係部署間の連携強化: 下水道事業に関わる複数の部署（計画、建設、維持管理、施設管理など）が連携し、データ共有やプロセス改革に協力したことが、デジタルツインのデータ統合や活用範囲拡大を可能にしました。
  3. データ整備への徹底した取り組み: デジタルツインの精度はデータの質に大きく依存します。既存データの収集、標準化、不整合の解消といった地道なデータ整備作業にリソースを投入したことが、高品質なデジタルツイン構築につながりました。
  4. 段階的な導入とパイロットでの検証: 全システムを一度にデジタルツイン化するのではなく、特定のエリアや機能から段階的に導入し、パイロット運用で効果と課題を検証しながら進めたことが、リスクを抑えつつ着実に成果を出す上で有効でした。
  5. 外部専門家との連携: デジタルツイン技術、データサイエンス、流体力学などの専門知識を持つ外部ベンダーやコンサルタントと密接に連携し、技術的な課題や複雑なモデル構築を乗り越えました。

これらの要因は、下水道システムのような複雑で広範なインフラ管理においてデジタルツインを導入する際に、特に考慮すべき重要なポイントと言えます。

事例からの示唆と展望

この下水道システム管理におけるデジタルツイン導入事例は、公共インフラ管理におけるDXの可能性を強く示唆しています。

コンサルタントとしては、この事例を参考に、クライアントのインフラ管理における具体的な課題に対し、デジタルツインがどのように貢献できるか、データの整備計画、必要な技術要素、組織体制、そして期待される定量・定性成果を具体的に提示する提案を構築する示唆が得られます。

まとめ

本記事では、下水道システムのインフラ老朽化対策と運用効率化を目指したデジタルツイン導入の成功事例を紹介しました。統合データプラットフォーム、高精度モデル、物理シミュレーション、リアルタイムダッシュボードから成るデジタルツインソリューションは、分散したアセット情報の課題を解決し、維持管理コスト削減、事故件数低減、計画策定効率化、災害対応能力強化といった具体的な成果をもたらしました。

この成功の背景には、明確な目的設定、関係部署の連携、データ整備への注力、段階的導入、外部専門家との協働といった要因がありました。この事例は、公共インフラ管理におけるデジタルツイン活用の有効性を示しており、他の分野への応用可能性も大きいと考えられます。デジタルツインは、インフラの持続可能性を高め、より安全で効率的な社会の実現に貢献する重要な技術となるでしょう。